数码假彩色成像技术研究

吴坚业，张拴勤，殷德飞

（总装备部工程兵科研一所，江苏无锡214035）

数码假彩色成像技术研究

吴坚业，张拴勤，殷德飞

（总装备部工程兵科研一所，江苏无锡214035）

假彩色成像侦察一直受到世界各国的重视，近年来随着遥感技术的发展，假彩色照相也已用于植被、地面资源考察，水域污染检查等方面。随着数码技术的不断发展，传统胶片成像日趋淘汰，国内彩红外胶片基本停产。通过分析传统胶片假彩色成像的原理，提出了利用数码成像设备加装近红外滤光片，二次成像，分别提取绿、红、近红外值再合成图像的方案，实现假彩色成像，并通过典型伪装网小样进行了实验验证，实验结果表明本方案数码假彩色成像方法可行。

兵器科学与技术；假彩色成像；数码；图像处理；近红外；伪装

0 引言

随着现代侦察技术的发展，各种侦察仪器如假彩色照相和成像光谱仪的综合使用，光学侦察通过光谱差异揭露伪装的能力大大提高［1-2］。在假彩色照片上，反射绿光的物体其影像为兰色，反射红光的物体其影像为绿色，反射近红外光的物体其影像则为红色。它增强了影像的色反差，提高了影像的表达能力，对处在绿色背景上的目标进行判读最为有利。

随着数码技术的不断发展，传统胶片照相已经越来越少，胶片成像日趋淘汰，伪装器材已经缺少这项检测内容。但假彩色由于其特有的能增强影像的色反差而一直受到侦察遥感领域的重视，基于此开发了数码假彩色照相系统，通过CCD数码相机、滤光片、计算处理技术等达到和传统假彩色照片相同的效果，填补数码假彩色照相的空白。

1 胶片假彩色成像原理

假彩色照相就是通过照相系统把目标记录在彩红外胶片上。彩红外胶片是一种含有感红外线乳剂的多层彩色胶卷。彩红外片又称为“假彩色片”。彩红外胶片的结构如图1所示。上层为红外乳剂层，能感红外辐射和兰光，产生青色正像；中层为感绿乳剂层，感绿光和兰光，产生黄色正像；下层为感红乳剂层，感红光和兰光，产生品红色正像。这种胶片没有黄色滤光层，因此在使用时，必须在相机镜头前加上黄色滤光镜（黄-18或雷登-12），以消除兰光的影响，突出红光和红外波段，增强揭露伪装绿的能力。

图1 彩红外胶片结构Fig.1 Structure of color infrared film

彩红外胶片的3层乳剂层各自只对一种基本色（红外、红、绿）的波段产生感光作用，从被摄对象射来的复合光，根据它对彩色感光材料的作用分为3种光谱成分，每种成分仅仅在感受此种光谱区光线的这一乳剂层造成潜像，通过显影、漂白、定影、冲洗，最终在感光层上只留下由染料形成的影像。各感光层影像的颜色不同，与被摄物色彩的对应关系如图2所示。

图2 彩红外照片颜色对应关系Fig.2 Color corresponding relationship of infrared photograph

假彩色照相主要利用绿色植物和人工绿在近红外波段的反射差异来揭露人工绿的。生长茂盛的绿色植物所含的叶绿素在近红外波段具有很高的反射率，在照片上呈现为多层次的红色；而普通在近红外波段反射率低的人工绿，在照片上则呈现为兰绿色。当然也有人工绿即使近红外反射很高，却也不显示红色，这主要与胶片的感光度、人工绿光谱反射曲线等有关，由于数码假彩色不会存在这个问题，所以在此不予详细讨论。胶片假彩色照相呈色机理解释如下:设白昼光照光谱辐射照度为Eλ，如图3所示；黄色滤光镜透射率为λ，如图4所示；胶片的光谱灵敏度分布（感色性）为Sλ，如图5所示；绿色目标的光谱反射率为ρ（λ），如图6所示。

图3 白昼光照光谱辐射曲线Fig.3 Spectral radiation curves of daylight

图4 黄-18或雷登-12滤光片透射率Fig.4 Transmittivities of yellow-18 and Rehden-12 filters

则在彩红外照片（正片）上，目标的响应（辐射出射度）为

又设目标在红外区、红光区和绿光区的响应分别为

在彩红外照片上，主色对应于max（φI，φR，φG）所对应的波段。若以柯达2443、柯达3443为片基，对典型的植物绿，则有

由于φI＞φG＞φR，所以图6的植物绿在胶片上的响应以红外辐射为主，故在照片上呈现红橙色。

图5 柯达2443、柯达3443胶片感色性曲线Fig.5 Colour sensitive curves of Kodak 2443 and Kodak 3443 films

图6 绿色植物的光谱反射曲线Fig.6 Spectral reflection curve of green plant

2 假彩色成像的特点

假彩色成像有两个显著的特点:1）在一张彩红外照片上，同时具有可见光和近红外形成的影像，因而这种胶片不仅保持了红外线航空片在揭露伪装方面的特点，而且还能将一般的黑白片和近红外片显示不出来的某些目标的细部清楚地反映出来；2）以象征性的彩色表达物体的影像。在一般黑白片上，物体的影像是以深浅不同的黑度来表达的，而在彩红外照片上，反射绿光的物体其影像为兰色，反射红光的物体其影像为绿色，辐射近红外线的物体其影像则为红色。这些颜色显然不是物体的原来颜色，但它却增强了影像的色反差，提高了影像的表达能力，使影像清楚易辨，尤其是对处在绿色背景上的目标进行判读最为有利。因此，假彩色成像对查明复杂地形和某些目标的性质，揭露不良伪装（主要是人工绿和植物绿的差异）、探测抛撒在绿色植被上的大面积雷场以及用于植被考察、地面资源考察、水域污染检查等方面都有着极其重要的作用。

3 数码假彩色原理

3.1 数字图像文件

随着数码技术的不断发展，传统胶片成像日趋淘汰，彩红外胶片已基本停产。数码照相技术已经成熟。数码相机是采用CCD或COMS作为感光元件，通过光学系统成像在感光元件上，感光元件通过AD转换自动保存成数字图像文件。保存的图像文件一般有BMP、JPG等格式，其标准统一，红、绿、蓝颜色信号位置等有规定的格式，方便处理。下面以BMP文件格式为例，进行简单介绍。

BMP位图文件结构文件由4个部分组成:位图文件头（bitmap-file header）、位图信息头（bitmap-information header）、彩色表（color table）和定义位图的字节阵列，位图文件的组成具有的形式如表1所示。

表1 BMP文件结构Tab.1 BMP file structure

数字图像由很多像素组成，是一个二维的像素矩阵，位图就是采用位映象方法显示和存储的图象。位图的彩色信号是有三原色RGB组成。自然界中的所有颜色都是由红、绿、蓝（R、G、B）组合而成。24位彩色图片实际的位图数据，在头文件54个字节以后就是每个像素的RGB值，每个像素占3个字节，分别记录R值、G值、B值，实际处理时，只需要读取相应的值就可以。

3.2 数码假彩色成像机理

从BMP文件格式可知，实际图像上每个像素的RGB值是按规定位置放置的，这就给数码假彩色成像带来了简单方便的处理方法。根据胶片假彩色照片的原理:反射绿光的物体其影像为兰色，反射红光的物体其影像为绿色，反射近红外线的物体其影像则为红色，所以只要找到每个像素的绿、红、近红外值，对它们进行数据处理和移位排列，便可得到数码假彩色照片。即对得到的绿、红、近红外值进行光谱响应校正和归一化处理，并将近红外值放到文件的红光区位置、红光值放到文件绿光区位置、绿光值放到文件蓝光区位置，这样经过重新组合的BMP文件就是理想的数码假彩色照片了。

3.3 数码假彩色成像方法

3.3.1 绿、红、近红外值的获取

为获得图像的近红外值，采用的相机必须能够感光到近红外，一般相机为保证照相效果，都在内部光学系统中加装了近红外截止滤光片，使CCD不感光近红外信号，所以进行假彩色照相前必须改造相机光路，将相机内部的近红外滤光片取掉，使CCD可以有效感光近红外反射信号。

图像绿、红数值的获取非常方便，在镜头前加装近红外截止滤光片（和相机原光路中的近红外截止滤光片一样）对目标进行正常照相，找到文件中每个像素的RGB值，保存R值、G值即可。

近红外值的获取，需要在镜头前加装近红外高通滤光片，如图7，其在波长760 nm以前截止，波长760 nm以后透过率达90%，可有效滤除可见光波段的数据，只透过所需要的近红外波段数据，加装滤光片后进行正常照相，找到文件中的RGB值，这时会发现G值、B值基本都是0，R值便是所需要的近红外值了。

图7 近红外高通滤光片Fig.7 High-pass near-infrared filter

3.3.2 CCD光谱响应曲线校准［3］

由于相机CCD光谱响应的不同，会影响RGB值的结果，从图8典型CCD器件光谱响应曲线可见，在相同的辐照度下，波长0.4 μm处的输出信号只有最大响应的40%左右，为了正确反映照射在光敏元件上的光强分布，需要进行必要的校正。

图8 典型CCD光谱响应曲线Fig.8 Typical spectral response curves of CCD

对于CCD面阵，设光强分布为f（x，y），由光敏元与波长的对应关系，不同光敏元对应不同的波长，其相对灵敏度不同，用矩阵K描述:

式中:kij为（i，j）的光敏元的相对灵敏度。由于CCD器件的空间离散作用，光强f（x，y）被相应离散为f（λ11），f（λ12），…，f（λij），…f（λmn），记作

式中:f（λij）为（i，j）的光敏元对应的光强。同样可把CCD的输出用矩阵F′表示:

实际上只能得到CCD的输出结果F′，而要求的是光强分布矩阵F，由（4）式易得

式中:kij可用标准光源由CCD直接接收。采用已知光谱分布的标准光源，CCD对该光源直接测量后，其测量结果对应于它相应波长的转换效率归一化处理后就可得到相应灵敏度kij，采用这种方法直接、准确。假彩色数据合成时，将校准后的kij直接用于RGB和近红外值的修正，即可获得每个像素准确的RGB和近红外值了。

4 实验结果

使用本方法对伪装网小样和绿色植被进行假彩色成像，编制了假彩色处理程序［4］。图9为彩色照片，伪装网小样设置在植被上，图中难以区分出来。图10为数码假彩色照片，由于伪装网小样的光谱反射曲线在近红外波段比植被小20%左右，照片上成像明显的黑色，而绿色植被成像红色，很容易将伪装网小样区分出来。

图9 设置伪装网小样的彩色照片Fig.9 Photochrome of camouflage net

图10 数码假彩色照片Fig.10 Digital false color photo

5 结论

数码假彩色成像技术科学合理，方法切实可行，能有效揭露不完善伪装。对比胶片假彩色成像原理可以看出，假彩色胶片的光谱感光灵敏度分布（感色性）不是线性，处理过程也不能修正，而数码假彩色成像可以对CCD感光曲线进行修正，由此可见，数码假彩色成像对近红外响应灵敏度明显优于胶片假彩色成像，其处理方法灵活、成像直观方便，完全能够替代传统胶片假彩色成像。

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［1］ 许卫东，吕绪良，陈兵，等.一种基于纹理分析的伪装器材效果评价模型［J］.兵工学报，2002，23（3）:329-331. XU Wei-dong.LYU Xu-liang，CHEN Bing，et al.A model based on texture analysis for the performance evaluation of comouflage screen equipment［J］.Acta Armamentarii，2002，23（3）:329-331.（in Chinese）

［2］ 杨雨霖.光学侦察原理［M］.南京:解放军理工大学，1984. YANG Yu-lin.Optical detection principle［M］.Nanjing:PLA U-niversity of Science and Technology，1984.（in Chinese）

［3］ 陈文芗.CCD光谱响应曲线的校准［J］.厦门大学学报:自然科学版，1994，33（6）:781-784. CHEN Wen-xiang.Correction on the spectral responce curve of CCD device［J］.Journal of Xiamen Unversity:Natural Science，1994，33（6）:781-784.（in Chinese）

［4］ 李力，金伟其，黄有为，等.一种低对比度可见光超视距成像的实时图像增强方法［J］.兵工学报，2010，31（2）:242-247. LI Li，JIN Wei-qi，HUANG You-wei，et al.Real-time image enhancement processing methods of low contrast visible light overthe-horizon imaging［J］.Acta Armamentarii，2010，31（2）:242-247.（in Chinese）

Study of Digital Infrared False-color Imaging Technology

WU Jian-ye，ZHANG Shuan-qin，YIN De-fei
（The First Engineers Scientific Research Institute，General Armaments Department，Wuxi 214035，Jiangsu，China）

The infrared false-color imaging detection technology has been paid attention to.With the development of the remote sensing technology in recent years，the infrared false-color imaging detection has widely been used in the detection of vegetation，ground resources and aquatic pollution.And with the development of digital technology，the traditional photographic film would phase out.The false color film has stopped production in our country.A solution of using digital camera and near-infrared filter to achieve infrared false-color imaging is proposed by analyzing the principle of infrared false-color imaging by traditional false color film，and the algorithm is verified by experiment.

ordnance science and technology；infrared false-color imaging；digit；image processing；near infrared；camouflage

E919

A

1000-1093（2015）09-1722-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.017

2014-11-18

吴坚业（1965—），男，高级工程师。E-mail:wucensun@yeah.net；张拴勤（1970—），女，高级工程师。E-mail:fcwzsq@163.com